关键词： 机车牵引变压器   振动特性   多物理场耦合   电磁分析  

摘要： 铁路运输系统在社会经济发展进程中发挥着无可替代的作用。在运输系统中，机车通过悬挂于车体底部的机车牵引变压器将外部能源转化为牵引力。机车牵引变压器是动力系统的重要组成部分，直接影响列车的性能和稳定。机车牵引变压器会在运行时产生振动，车体下方的悬挂设备容易因振动产生变形、断裂等安全隐患;同时振动是噪声的来源，强烈的振动与噪声会对机车与车内人员的安全造成严重威胁。因此，机车牵引变压器的振动特性是设计及制造时应重点关注的问题。　　根据以上背景，本文开展机车牵引变压器空载与负载条件下的振动特性及影响振动传递的因素研究，最终实现变压器的减振与隔振。以一台25 kV的油浸式机车牵引变压器为研究对象，研究工作可分为以下三个方面。　　首先，建立机车牵引变压器铁心、绕组和油箱的有限元分析模型。通过模态分析及谐响应分析的仿真计算，探究不同放置方式下变压器的振动特性。结果表明变压器的铁心与绕组卧式放置时的固有频率大于立式放置时的固有频率，对应的振型具有良好的一致性和对称性;变压器油箱的不同放置方式会导致振型差异，位移集中的区域也不同。　　其次，建立空载和负载状态下铁心的三维电磁场计算模型。通过场路耦合的方式得到空载和负载时铁心的磁通密度分布及励磁电流。通过兼顾铁心材料的磁致伸缩特性和绕组电流的磁场分析，获得机车牵引变压器铁心与绕组的振动特性。铁心与绕组的振动通过绝缘油传递至油箱，固体结构力场与流体场耦合共同作用于传递过程。为了探究绝缘油对振动传递的影响，分别分析振动通过固体夹件、绝缘油和二者混合这三种途径的传递过程。结果表明绝缘油对振动传递产生增幅作用，通过空载和负载工况振动结果的对比表明铁心是机车牵引变压器振动的主要来源。　　最后，分别选取加强机车牵引变压器油箱强度的方式作为减振措施，加装橡胶隔振器减轻油箱至车体的振动能量传递。仿真结果验证了两种方案的有效性，橡胶隔振器减振效果更为明显且不需要改变变压器结构，是比较适合机车牵引变压器的减振方案。

关键词： 电磁暂态仿真与建模   中压直流配电网   中压直流变压器   高阶矩阵降维   节点消去电路简化   高效并行计算  

摘要： 中压直流配电网容量大、电能质量高、便于不同类型的新能源电源及负载接入,是当前新型电力系统以及未来能源互联网中最具潜力的电力配用形式。其中,直流变压器(direct current transformer,DCT)是实现多设备互联以及功率灵活调控的关键设备之一。DCT含有多个电压等级的交直流端口,可以广泛地连接分布式风电、光伏、储能等新能源电源,其功率多向流动且可控的特性,能够在不同的端口之间灵活地协调功率分配,快速调节配电网运行状态,提高电能的分配效率,改善电能质量。目前广泛应用的DCT一般为级联模块化结构,可根据应用场景快速调整模块拓扑,也便于拓展和维修。然而,正是由于DCT功能全面、模块化程度高的原因,其拓扑结构和控制方式也较为复杂:拓扑上,DCT功率模块为多级多端口结构,功率模块在不同端口之间串并联连接以适应中低压端口的不同电压等级需求;控制上,DCT需要在各个功率模块内部调制高频方波,以实现直流电压等级的变换和功率传输,同时还需兼顾交流电网的电压和功率控制需求。拓扑和控制上的复杂度使得DCT的电磁暂态(electromagnetic transient,EMT)等值建模面临建模难度大、仿真速度极其缓慢的问题,亟需探寻合适的等值建模方法,破解其仿真精度-仿真速度二元对立的难题。本文围绕DCT电磁暂态等值建模,以保留精度、提高速度为主要目标进行建模算法和计算方法的改进。本文所展开的研究内容如下:(1)提出DCT的低精度损失等值建模方法。DCT拓扑结构中包含数千个电气节点以及不同的节点-支路连接方式,复杂的拓扑结构使得其电磁暂态仿真求解速度极其缓慢,针对这一问题,本文分析了 DCT中基本电气元件、功率模块以及桥臂的拓扑层次特点,提出各层结构的离散化等值及内部节点消去方法,降低了电磁暂态解算时节点导纳矩阵的维度,可以加快仿真速度。由于所提等值方法基于电路方程解析表达式的全等变换,未对电路本身作简化修改,因此可以保留较高的仿真精度。该方法还能够保留所有的控制器触发信号,在不同控制方式和运行工况下均能精确仿真。(2)提出DCT建模的性能提升优化方法。虽然在电路结构层面进行了简化,但所提模型的功率模块以及桥臂等效参数在求取过程中仍存在大量矩阵运算,仿真求解效率受到影响。针对这一问题,本文在功率模块层级以割集电压方程优化功率模块建模过程,避免节点电压转换到支路电压的矩阵运算。同时,提出功率模块的高频链端口解耦方案,进一步简化等效模型的电路结构,提高仿真效率;在桥臂层级提出参数矩阵级联方法,将递归计算中反复出现的矩阵节点消去及求逆过程简化为参数矩阵直接相加,减少了矩阵运算次数。此外,还提出了桥臂中整合型闭锁电路的构建方法,避免闭锁仿真时的状态变量继承及电路切换行为。经优化后的DCT模型在保持精度的前提下,仿真效率更高。(3)提出DCT的高效并行化仿真解算框架。为了保持模型的高精度,必须通过恒等数学变换获取等值的简化电路,存在较大的固定计算开销,很难进一步提高仿真速度。针对这一问题,本文从计算机并行计算的角度出发,结合仿真解算过程中各功率模块的数值独立性,设计了 DCT的并行化计算框架。借由CPU的多核并行计算能力,在不影响精度的前提下,所提模型的仿真速度可以在初次提速的基础上,二次提速数倍。

关键词： 变压器中性点保护   慢放电模式   球隙火花开关   放电特性  

摘要： 由于在变压器中性点保护装置中棒-棒间隙存在缺陷,有学者提出新型可控间隙(球隙火花开关)代替棒-棒间隙的方案,有望解决变压器中性点保护难题。但由于避雷器种类繁多,与之匹配的球隙火花开关直径大小存在多种规格,因此需研究球隙火花开关的放电特性和工作特性。首先,为研究慢放电模式下的电弧形成过程,设计主电极直径125mm球隙火花开关和可控触发电路。对球隙火花开关进行触发放电试验,并用高速摄像机拍摄球隙火花开关放电过程,根据试验数据分析放电特性。其次,研究了触发电极直径、触发电极与接地极的相对位置、触发脉冲能量和触发间隙对球隙火花开关工作电压下限的影响。同时试验研究了主间隙距离对球隙火花开关自然击穿电压与触发击穿电压的影响,得出125mm直径球隙火花开关最大电压工作范围时的电极间距,工作电压上限(自然击穿)与工作电压下限(触发击穿)。采用双参数Weibull分布拟合试验数据,得到不同主间隙距离下球隙火花开关的击穿概率曲线以及触发电极对工作电压范围的影响规律。最后,按照上述球隙火花开关结构建立不同尺寸球隙开关仿真模型,以25mm为步长仿真得到150mm～300mm直径球隙火花开关在工作电压范围最大时的工作电压上限、下限及主间隙距离。拟合得到在工作电压范围最大时球直径与工作电压上限、下限及主间隙距离的关系。梳理避雷器型号及参数,确定避雷器冲击电压残压与额定工频电压,明确给出110k V、220k V系统中,不接地变压器中性点保护用48/109、55/132、55/140、60/144、72/186等型号避雷器所对应保护球隙电极直径及主电极间距选取建议。

关键词： 变压器   状态预测和故障诊断   长短期记忆网络   核极限学习机  

摘要： 变压器作为电力系统的重要组成部分,其状态的检测对于维护电力系统的稳定运行至关重要。当前变压器的异常运行状态和故障问题呈逐渐增多之势,因此导致其在现场工作时需要停工进行维修的情况也随之增多。过去采用基于因果关系模型的理论分析方法难以适应当前变压器多元化数据信息的处理需求。随着人工智能技术的不断进步,利用数据挖掘方法结合先进的人工智能算法,寻找电力变压器数据内在规律,为电力变压器的状态预测和故障诊断带来了新的工具和解决思路。在预测方面,最常用的预测气体浓度序列的神经网络模型是长短期记忆网络模型。尽管长短期记忆网络能够捕捉序列之间的相关关系,但其可能存在表示瓶颈问题,无法充分提取和表示序列数据中的有效特征。为了改进长短期记忆网络模型的性能,构建了一个新的预测模型CNN-BiLSTM-Attention,即在长短期记忆网络模型的基础上增加了反向长短期记忆网络层,同时使用卷积神经网络提高对特征数据的利用率,并添加了注意力机制以更好地识别重要特征。利用本文提出的预测模型,对七种典型特征气体进行实验,实验结果表明,该模型能高效准确地对特征气体未来含量作出预测。在故障诊断方面,本文采用七种特征气体的“无编码比值”作为特征量,提出了一种麻雀搜索算法结合核极限学习机的变压器运行状态诊断方法。该方法采用主成分分析法对数据进行降维处理,以保留原特征的非线性信息。通过麻雀搜索算法来对正则化系数和核参数进行寻优,有效提高模型的全局搜索能力和收敛速度,同时也解决了模型易陷入局部最优解的问题,进一步改善了核极限学习机模型的诊断效果。通过实例验证,所提出的方法具有较高的诊断精度,能够通过所给出的特征气体浓度来判断变压器出现的各种故障。最后,本文设计了一套可用于变压器在线监测和状态预测的智能系统,并通过实际案例对系统方案进行了有效的测试验证,充分证明了该系统的可靠性与实用性,能够有效的满足工程实际需求。

关键词： 变压器故障诊断   油中溶解气体分析   KELM算法   哈里斯鹰算法   AdaBoost  

摘要： 在电网中,电力变压器是电能分配与传输的重要中枢。随着国家综合性能源网络的快速投建,电网发展对于电力变压器的电压等级与容量的要求越来越高。一旦变压器发生故障,就会对电网的资源和经济造成严重的损害,也会对人们的生活用电产生影响。文章基于油中溶解气体分析技术(DGA),提出一种AdaBoost集成算法与改进哈里斯鹰算法(IHHO)优化核极限学习机(KELM)的变压器故障诊断辨识方法。(1)从DGA技术的基本理论出发,对变压器油中气体的生成机制和故障形式进行了详细的分析。针对KELM模型易受正则化参数C和核参数g的影响,提出了经过Sine混沌映射、非线性控制参数以及精英柯西变异的改进哈里斯鹰算法,通过改进后的哈里斯鹰算法对KELM变压器故障诊断模型的参数进行优化求解。最后提出基于IHHO优化KELM的变压器故障诊断模型。(2)以IHHO-KELM变压器故障诊断模型作为集成学习AdaBoost算法的基学习器,从而探讨在集成学习AdaBoost算法下,通过对基学习器不断迭代学习的方法,观测对诊断精度的影响。利用DGA数据集,建立了一种利用AdaBoost和IHHO优化KELM相结合的变压器故障诊断方法,并对基学习器的数量进行确定。(3)使用8个基准测试函数,来对IHHO算法的性能进行测试,将最优值、最差值、均值、标准差以及收敛迭代曲线做为评价标准,实验结果表明IHHO算法在收敛速度和迭代次数方面皆优于哈里斯鹰算法(HHO)和粒子群算法(PSO);然后以DGA数据集预处理后的数据作为基础,以IHHO-KELM变压器故障诊断模型为基分类器,通过AdaBoost算法不断迭代;最后结果表明本文提出的AdaBoost-IHHO-KELM的变压器故障诊断模型平均诊断准确率达到94.23%,均优于IHHO-KELM、HHO-KELM、PSO-KELM以及AdaBoost-KELM变压器故障诊断模型,说明了该模型的稳定性较强。该论文有图42幅,表9个,参考文献71篇。

关键词： 毫米波   功率放大器   变压器   高能效  

摘要： 第五代移动通信技术(5G)技术的发展日新月异,其中5G毫米波频段有着丰富的频谱资源,这对于射频前端模块的性能提出了更高的要求。射频功率放大器(Power Amplifier,PA)是射频前端中重要的工作模块,位于发射机的末端,直接决定了系统的信号强弱、稳定性、带宽、功耗等重要性能。同时,硅基工艺有着集成度高、生产成本低等优点,为实现毫米波CMOS功放提供了研究基础。然而随着应用频率提高至极高频(30～300GHz),射频PA的饱和输出功率和效率逐渐下降;另一方面,毫米波频段的无源器件产生的寄生效应不可忽略,严重影响系统的性能。于是本文在硅基工艺的基础上,通过对无源器件和有源器件的分析研究来进行高能效宽带毫米波功率放大器的设计,并采用理论推导辅以仿真验证的方式来阐述所完成的工作。本文基于TSMC 40nm CMOS工艺设计了三个不同频段的功率放大器。第一款是工作在60GHz频段的Class-AB功率放大器的流片设计,采用两级共源放大器的结构减小直流功耗以获得最大效率,匹配网络采用变压器结构实现。设计的60GHz功放达到了27.48%的峰值功率附加效率PAE(Power added efficiency),16d Bm的饱和输出功率,输出1d B压缩点OP1d B为12.67d Bm,60GHz下增益为17.9d B,3d B相对带宽达到18%。第二款是工作在28GHz频段的Outphasing结构功率放大器的后仿设计,采用了源级负反馈技术与B类功放的结合,实现了线性度与效率兼顾。电路结构方面,采用共源共栅(cascode)结构承载更高电源电压,采用电流型合成方式节省了版图面积。该28GHz功放实现了48.6%的峰值PAE,6d B回退效率达到26.3%,饱和输出功率为23.4d Bm,OP1d B达到22.3d Bm,28GHz时增益达到22.4d B。第三款是工作在94GHz频段的两路差分合成的功率放大器的后仿设计。为了获得更高的输出功率,输出级采用变压器和传输线结合的四路电流合成网络;同时通过三级级联结构以获得更高的功率增益,前两级采用共源(Common source,CS)结构,在满足后级线性度要求同时减小电源功耗。该94GHz功放达到了15.2%的峰值PAE,饱和输出功率为20d Bm,OP1d B为17.5d Bm。94GHz下功率增益为23.1d B,3d B相对带宽为16.9%。

关键词： 电力变压器   不平衡数据集   故障诊断   样本均衡化   改进天鹰优化算法   轻型梯度提升机  

摘要： “双碳”背景下以新能源为主体的新型电力系统正向智能化和数字化迈进,其快速发展给电力设备状态监测和故障诊断提供了新的解决思路和技术手段。电力变压器作为电力系统的核心设备承担着电能分配和电压转换的重要任务,准确评估其运行状态、制定合理运维策略对保障电力系统安全可靠运行有重要意义。目前,基于油中溶解气体分析(DGA)技术的智能诊断方法正逐步取代传统的变压器故障诊断方法,但实际采集的DGA数据是一种小样本不平衡数据,不符合智能诊断技术的数据要求,严重影响了故障诊断精度和智能诊断模型的应用落地。为此本文提出了一种ISMOTE过采样算法和MIAO-LightGBM相结合的变压器故障诊断模型,以有效改善不平衡数据对智能诊断技术的影响,提高变压器的故障诊断精度。首先针对实际采集DGA数据不满足智能诊断技术数据要求、传统过采样算法SMOTE易合成噪声样本以及现有改进SMOTE算法很少考虑类内不平衡等问题,提出了一种ISMOTE过采样算法,旨在解决不平衡DGA数据对智能诊断技术影响的问题。在自制数据集上展示了合成过程,结果显示ISMOTE合成的新样本与原始数据高度相似,且能兼顾到少数类稀疏区域。经公开数据集在SVM和RF分类模型上仿真测试,结果表明ISMOTE算法的AUC、G-means和F-measure指标均优于常用的SMOTE、KMeansSMOTE、BorderlineSMOTE过采样方法和原始数据,验证了 ISMOTE算法的有效性。其次针对轻型梯度提升机(LightGBM)模型参数难以确定而影响诊断精度的问题,建立了MIAO-LightGBM的故障诊断模型。该模型采用性能优异的LightGBM算法解决DGA数据的高维非线性等问题,同时为解决参数难以确定的问题引入天鹰优化算法(AO),并对其缺陷提出了三种改进策略:(1)结合Circle映射与反向个体的混沌反向学习策略以提升初始种群质量;(2)采用非线性自适应控制策略提升整体搜索性能;(3)精英差分和随机反向学习相结合的自适应混合变异策略对最优个体进行扰动以增强跳出局部最优能力,经标准测试函数仿真实验,结果表明MIAO算法的整体性能均优于PSO、GWO和原始AO。采用MIAO算法优化LightGBM超参数并建立最佳参数的MIAO-LightGBM故障诊断模型,利用平衡DGA数据进行仿真实验,结果表明MIAO-LightGBM模型诊断准确率高达91.54%,比PSO、GWO和AO优化模型的准确率分别提升5.6%、9.85%和5.6%。最后针对不平衡DGA数据影响智能诊断技术的应用效果,建立了 ISMOTE-MIAO-LightGBM的变压器故障诊断模型。利用ISOMTE对不平衡DGA数据进行均衡化处理,结果显示,合成DGA数据与原始数据基本相似,且类内稀疏区域样本得到增加,进一步证明了ISOMTE算法的有效性。经不平衡DGA数据仿真测试表明:采用ISMOTE算法均衡化DGA数据的诊断模型准确率和Kappa系数均高于SMOTE、KMeansSMOTE和BorderlineSMOTE和原始数据的模型;ISMOTE-MIAO-LightGBM模型的诊断准确率和Kappa系数最高,分别达到91.13%和0.8904。结果证明了本文方法可有效改善不平衡数据对智能诊断技术的影响,为变压器的诊断预测和智能运维提供了一定的应用价值。

关键词： 模块化多电平固态变压器   共高频母线   同步调制   高频变压器   无差拍预测控制  

摘要： 固态变压器(Solid State Transformer,SST)集电力电子开关和高频磁转换技术于一体,具备多功率端口和智能化调控功能。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)适用于中高压配电系统,存在固有的中压直流端口,谐波和冗余特性优良。内联式MMC-SST具备较高的拓扑和控制灵活性,直流故障穿越能力强,近年来成为了研究热点。本文主要着眼于内联式MMC-SST在电路拓扑、隔离环节分布参数设计和控制策略三个方面存在的缺陷,通过理论分析和实验验证相结合的研究方法,开展了相应的拓扑与控制优化研究工作,具体研究内容如下: (1)针对内联式MMC-SST子模块低频脉动及其影响与抑制策略进行研究。分析子模块低频脉动电压和桥臂二倍频环流形成机理及子模块电容体积较大成因。研究三相子模块低频脉动电流分布规律,建立高频互联通道等效导纳模型,分析子模块低频脉动功率向隔离级传递过程,提出共高频母线内联式MMC-SST拓扑结构,利用高频互联实现子模块低频脉动电流耦合抵消,桥臂二倍频环流自然消除。分析隔离级全桥电路同步调制原理,研究子模块电容电压与低压直流母线电容电压自主箝位特性。对比分析常规内联式MMC-SST电路特性、关键元件选型及体积特性,评估共高频母线内联式MMC-SST的工作性能和功率密度优势。 (2)针对共高频母线内联式MMC-SST中高频互联通道工作性能与分布参数耦合关系及互联通道分布参数优化进行研究。通过建立同步全桥简化电路等效分布参数数学模型,研究有功传输能力与分布漏感和分布电阻比值之间的约束关系,分析分布电阻对电压箝位误差及动态浪涌电流的影响,得到高频互联通道分布参数设计目标。分析两类绝缘约束条件下影响同步变压器分布参数的主要因素,建立同步变压器分布参数解析模型,综合分布参数对电路工作特性的影响,提出了同步变压器的分布参数优化设计方案,高频互联通道的稳态工作性能得到提升。 (3)针对共高频母线内联式MMC-SST中子模块电容值降低导致系统跟踪性能和抗干扰性能改变进行研究。面向系统典型控制策略,设计双闭环经典控制器,研究了电容轻量化前后的跟踪性能以及抗干扰性能差异,评估结果表明跟踪性能差异可通过调节器参数进行完全补偿,而抗干扰性能则随电容值减小受到了弱化。建立系统的动态平均模型,设计了基于离散化预测模型的混合控制器,相比于传统控制方案可大幅提升动态响应速度,从而优化了小电容工况下系统的抗干扰能力。针对轻量化导致MMC-SST低惯性问题,以混合交直流配电系统,中压直流输电系统和光伏储能联合供电系统三个典型场景为例评估了轻量化系统的低惯性运行可行性,说明在电能路由模式下系统正常运行不受低惯性影响;研究在电能供给模式下通过SST的储能单元协同实现惯性补偿,提升了低惯性工况下的安全稳定运行性能。 最后,搭建仿真以及小功率实验平台,验证所提共高频母线内联式MMC-SST拓扑结构性能,高频互联通道分布参数优化流程以及轻量化系统动态性能改进方案的正确性和有效性。

关键词： 油浸式变压器   菱形流油通道   翅片式散热器   外流域   温度场  

摘要： 变压器是电力系统中尤为重要的设备之一，也是保障电力高效利用的关键，其安全运行对保障国家电网安全至关重要。变压器关键部位，比如绕组、铁芯温度过高，不仅会使整体效率降低，而且影响绝缘部件的使用寿命，继而可能引发严重的电力故障和火灾危害，因此，控制变压器运行温度是提高其使用寿命，减少故障率的关键。本文主要是对油浸式变压器的散热器结构进行数值模拟，分析不同结构对散热器散热能力的影响，得出高效散热的变压器散热器结构。　　（1）对已有散热器结构中的散热片进行建模，分析内部流场和温度场，针对弧形结构散热器散热片之间的空气流通较为平缓，散热面积较小，空气侧散热效果不明显的问题，提出新型散热器结构。对新型散热器模拟结果表明，采用菱形油流通道，上下面平缓，可以通过增加翅片，提升空气侧散热面积，以此增加空气侧散热量。两者通过对比，新型翅片式散热器散热面积较已有散热器增加了1倍，可提升空气侧最高温度7℃，空气最高流速提升了1/3。　　（2）对新型翅片式散热器片进行三维建模，分析其内部变压器油的流场以及散热片之间的空气流场。结果显示，翅片高度增加，散热片间空气流速增加，翅片高度在6mm时，翅片间主流空气最高流速为0.176m/s，同时减少了翅片间热空气聚集;翅片宽度为14mm、厚度为1mm时，散热片的平均导热系数最高，厚度增加，会减少换热量，厚度减少，翅片强度降低，不利于现有工艺加工。对散热器油流通道分析，由于油道较宽，同时上集油管位于第四油道上方，第四油道散热集中，流速大，散热效果低，上下温度差为5.2℃。以此提出较窄油道的Ⅰ型散热器结构。对Ⅰ型散热器结构建模，通过改进流油通道的结构，使第二，四，六的通道宽度降低2mm，散热片之间空气流量增加，对薄的流油通道的散热提升，同时测得油流油侧的变压器油流速减缓1/2，换热量增加5%。　　（3）对整个散热器进行外流域建模，分析油侧油的温度和速度变化的同时，对外部空气流动变化的影响进行分析，即外流域的变化。对比分析了三种结构在自然风冷的情况下的换热量和平均对流换热系数，就散热量比较，新型散热器结构比已有散热器高15%，在改变油道结构后的Ⅰ型散热器，在新型散热器的基础上又增加5%左右。